SENSORES INTERFEROMÉTRICOS EM FIBRA ÓPTICA

artigo

SENSORES INTERFEROMÉTRICOS

EM FIBRA ÓPTICA

A. B. LOBO RIBEIRO

Centro de Optoelectrónica, INESC-Porto, R. Campo Alegre 687, 4150 PORTO. Tel.: (02) 6082 601, Fax: (02) 6082 799, email: alr@goe.fc.up.pt

Neste artigo pretende-se dar uma visão, global e necessariamente sumária, da tecnologia de sensores de fibra óptica, em especial do tipo interferométrico. São descritas diversas configurações de sensores inter- ferométricos e respectivas funções de transferência, e apontadas as sen­ sibilidades típicas conseguidas na monitorização de parâmetros físicos.

1. Introdução

de parâmetros, como sejam a intensi­

dade, o comprimento de onda, a fre­ quência, a fase e a polarização, todos potencialménte moduláveis pelas mais variadas grandezas físicas. A estrutura básica de uma fibra óptica é a de um cilindro de sílica (diâmetro típico 125 um), cuja região axial (núcleo, com diâmetro típico de 4 a 8 pm) é dopada de modo a aumentar o seu índice de refracção e, assim, guiar a radiação. Alguns dos atri­ butos dos sensores de fibra óptica que os tornam uma alternativa técnica atraente, relativamente aos sensores electrónicos convencionais, são: a sua imunidade a interferências electromagnéticas; o facto de serem totalmente passivos electrica- mente, o que os torna intrinsecamente seguros; o baixo consumo de potência eléctrica; a sua resistência a altas tem­ peraturas; as dimensões e peso reduzi­ dos; a grande largura de banda e a pos­ sibilidade de multiplexagem óptica e eléctrica para implementação de redes de sensores [1,2,3],

Os referidos sensores podem ser classificados de acordo com o seu modo de funcionamento; assim, a maioria dos sensores de fibra óptica é classificável segundo o tipo de modulação do sinal óptico (intensidade, fase; em certos casos, polarização, comprimento de onda e frequência) [1,2]. Os sensores de modulação de intensidade (Sensores de Intensidade) constituíram a primeira gera-A área da instrumentação e medida,

nomeadamente no que diz respeito aos elementos sensores, tem registado uma rápida expansão nos últimos anos. Em paralelo com o desenvolvimento acele­ rado de sensores baseados em tecnolo­ gia microelectrónica, os sensores com suporte em técnicas ópticas têm-se tam­ bém afirmado significativamente, em par­ ticular desde o aparecimento das fibras ópticas.

Numa descrição razoavelmente geral destes sistemas, as fibras ópticas são uti­ lizadas simultaneamente como sensores (para medição de variadas grandezas físi­ cas: pressão, velocidade de rotação, des­ locamento mecânico, temperatura, inten­ sidade de corrente eléctrica, deformação mecânica, campo magnético e eléctrico, etc.) e como meio de transmissão do sinal detectado até ao bloco de aquisição e processamento.

Uma grandeza física como, por exem­ plo, a temperatura, actua sobre a radia­ ção que se propaga numa fibra óptica através da modificação das característi- cas de propagação da fibra; uma leitura adequada dessas alterações na radiação propagada possibilita, em princípio, a determinação das variações dessa gran­ deza física. A versatilidade da fibra óptica é assinalável, dado que a radiação guiada é caracterizada por um conjunto

• Interferómetros • Fibras ópticas • Sensores interferométricos • Sensores de fibra óptica

ção de sensores de fibra óptica. Neste tipo de sensores, a intensidade luminosa transmitida pela fibra óptica é variada por um mecanismo apropriado; por exemplo: modulação por reflexão num espelho móvel, onde a vari­ ação da posição do espelho provoca variação da potên­ cia luminosa captada pela fibra receptora; modulação por microcurvatura na fibra óptica provoca radiação para o exterior da fibra de uma fracção de potência luminosa guiada; etc. Estes sensores usam normalmente fibra mul- timodo e díodos emissores de luz (LED), o que os torna atractivos em termos de custo. Em geral, estes sensores são conceptualmente simples, fáceis de reproduzir e eco­ nómicos, mas estão sujeitos a erros devidos a flutuações de intensidade causadas pelo emissor óptico ou por per­ turbações ao longo das fibras [1,2], Uma descrição mais detalhada deste tipo de sensores será apresentada num futuro artigo.

acção do mensurando. Por interferência, a diferença de fase (A(|)) pode então ser medida com uma sensibilidade «1 prad, isto é, com uma sensibilidade correspondente a «10-6 do comprimento de onda (A(|> = 2jiOPD/X.), o que origina uma possível resolução na medição do caminho óptico (OPD) de =1 parte em 1012!

Existem diversas configurações de sensores interfe- rométricos que podem ser implementadas usando fibras ópticas monomodo e que são análogas às de interferó- metros clássicos. Deste modo, e de uma maneira geral, os sensores interferométricos em fibra óptica podem ter por base dois tipos de configurações: interferómetros de duas ou de múltiplas ondas.

2.1. Interferómetros de Duas Ondas em Fibra Óptica

Uma configuração bastante comum é o interferóme- tro de Michelson em fibra óptica (Fig.la). A radiação pro­ veniente da fonte óptica é dividida por um acoplador direccional (AD), originando duas ondas que percorrem dois percursos diferentes: um que se designa de refe­ rência e o outro de sinal (onde actua o mensurando — fibra sensora). Ò acoplador direccional construído em fibra (baseado na transferência parcial da radiação guiada entre dois núcleos de fibra óptica monomodo muito próximos) executa a mesma função que um divisor de feixe de luz tradicional do interferómetro de Michelson clássico [3,4]. No fim de cada percurso de fibra óptica é incorporado um espelho (M) que pode ser, por exemplo, um filme fino de prata previamente depositado na extre­ midade da fibra. A radiação que se propaga no percurso de sinal fica, deste modo, duplamente sujeita à acção do mensurando, sendo recombinada no acoplador direccio­ nal com a radiação da fibra de referência. Uma das ondas de interferência resultante fica disponível para detecção, enquanto que a segunda é acoplada para a fonte óptica. Este último aspecto é indesejável, visto que radiação reinjectada na fonte óptica tende a perturbar o seu funcionamento, principalmente se a fonte fôr um laser monomodo [4].

Na figura 1b mostra-se uma configuração alternativa, o interferómetro de Mach-Zehnder em fibra óptica. Neste caso são usados dois acopladores direccionais, permi­ tindo a obtenção fácil de duas ondas interferentes em oposição de fase, o que pode ser muito conveniente em algumas técnicas de processamento de sinal. Um outro interferómetro de duas ondas bastante estudado e utili­ zado é o interferómetro de Sagnac (fig. 1 c). Nesta confi­ guração, as duas ondas percorrem percursos idênticos, mas em sentidos opostos. Este interferómetro é utilizado como sensor de rotação (giroscópio). O seu princípio de funcionamento assenta, simplificadamente, no facto de, estando a bobina de fibra a rodar com uma certa veloci­ dade angular (w), as duas ondas (de sinal e de referên­ cia) que percorrem a bobina em sentidos opostos,

emer-2. Sensores Interferométricos

Nestes sensores, a grandeza física que se pretende medir actua na fibra óptica modulando a fase da radia­ ção por ela transmitida. Estes sensores, pela sua natu­ reza, empregam fontes ópticas coerentes (díodos laser, por exemplo) e fibras ópticas monomodo (fibras ópticas concebidas para guiar um único modo de propagação, modo guiado esse que tem uma propagação axial do tipo onda plana, mas com um perfil de amplitude aproxima- damente gaussiano, com diâmetro típico da ordem de 3 a 10 |xm [2]). Numa fibra multimodo (que propaga, em geral, centenas ou milhares de modos guiados), a pro­ fundidade de modulação de fase varia de modo para modo e, além disso, as fases relativas e polarizações desses modos guiados são aleatórias; daí a necessidade de utilização de fibra monomodo para se obter modula­ ção de fase eficiente da radiação.

A modulação de fase pode ser directa ou indirecta; neste caso, a grandeza física em causa afecta um ele­ mento conversor que, por sua vez, actua directamente sobre a fibra óptica alterando a fase da radiação guiada. A variação de fase total da onda guiada num determi­ nado percurso da fibra óptica monomodo depende essen­ cialmente de três parâmetros da fibra — comprimento, índice de refracção e diâmetro — cada um deles podendo ser actuado do exterior; por exemplo:

• comprimento: por tensão mecânica longitudinal ou expansão térmica;

• índice de refracção: por temperatura, pressão, ten­ são longitudinal;

• diâmetro: por pressão radial ou expansão térmica. A medição de pequenas variações da fase da radia­ ção que é transmitida através da região onde actua o mensurando é conseguida comparando-a com a fase da radiação proveniente da mesma fonte óptica mas que percorreu um caminho óptico diferente e protegido da

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girem da fibra de saída em instantes de tempo diferen­ tes, resultando assim numa diferença de fase que é pro­ porcional ao comprimento total da fibra na bobina, ao diâ­ metro desta e à velocidade angular [3,4].

Na figura 2 representa-se a função de transferência (1), assumindo que o interferómetro não tem perdas e que a visibilidade é unitária [3,4], Através desta figura, podem detectar-se dois problemas óbvios, nomeada­ mente: a sensibilidade da potência óptica de saída (louj) a variações da fase óptica em torno de mn (com m inteiro) é nula; variações de fase maiores do que jt não podem ser distinguidas sem ambiguidade das variações menores que jt, dado que a resposta do interferómetro é periódica.

A sensibilidade máxima do interferómetro ocorre para valores da diferença de fase entre as duas ondas de 4> = (2m+1)jt/2, designados usualmente por “pontos de quadratura". Para maximizar a sensibilidade, teremos de operar o interferómetro num dos pontos de quadratura, o que é equivalente a manter a diferença de percursos ópti- cos entre as duas ondas em um quarto de comprimento de onda da luz incidente (isto é, ± módulo X/2). Quanto à limitação da gama de medição ser de jt, pode ser ultra­ passada utilizando técnicas de processamento de sinal adequadas, ou adoptando uma arquitectura para o sis­ tema que permita, através de processos de “feedback' [3,4], limitar a gama dinâmica ao intervalo de fase cor­ respondente a ±ji/2. Perturbação n _{Fibra sensora} Yi

/

Fonte Óptica AD + — M M

\

V Fibra dc referência Detector (a) Perturbação Fonte Óptica

+

Dctcclores (b) I /I <wt ta I Fonte Óptica

+

(C) Detector

Fig. 1 — Interferómetros em fibra óptica do tipo: (a) Micheison, (b) Mach-Zehnder, (c) Sagnac.

0

o 2k 3k 4*

«►(radianos)

Fig. 2 — Função de transferência de um interferómetro de duas ondas.

Todos estes interferómetros de duas ondas exibem uma função de transferência com respeito à diferença de fase da forma

2.2. Interferómetros de Múltiplas Ondas em Fibra Óptica

I:

lout=^-V + Vc os(AM (1)

Neste tipo de interferómetros a radiação proveniente da fonte óptica é dividida por múltiplos percursos antes de ocorrer a recombinação. Uma maneira de conseguir isso consiste em construir uma cavidade óptica que pos­ sua um único percurso, o qual é atravessado diversas vezes pela radiação óptica incidente. Se a cavidade óptica funcionar como região de medição onde actua a perturbação física, então o mensurando actuará na radi­ ação que se propaga em cada percurso, multiplicando assim o efeito sobre esta.

em que lout é a potência óptica que incide no detector, /,„ a potência óptica de entrada no interferómetro, V é a visibilidade (ou contraste) da figura de interferência pro­ duzida e A«t> é a diferença de fase entre as duas ondas (de sinal e de referência). A visibilidade depende da razão das potências ópticas das ondas interferentes, do grau de coerência da fonte óptica e do estado de pola­ rização entre os vectores campo eléctrico das ondas interferentes.

dade e X o comprimento de onda da luz incidente. Na figura 4 representa-se a função de transferência em transmissão do interferómetro de Fabry-Pérot em função da fase óptica, para diversos valores da reflectividade das superfícies espelhadas (M). É de notar que, para valores de X = 2rm (com m inteiro), ocorre um máximo de transmissão, máximo esse que é independente do valor de R, o que significa que elevada transmissão pode ocorrer mesmos para valores elevados de reflectividade, incluindo casos em que R > 99%.

Em termos de sensibilidade máxima, o ponto óptimo de funcionamento deste tipo de interferómetro depende da reflectividade (R) das superfícies semi-espelhadas. Se for elevada, o ponto óptimo de funcionamento ocorre Na figura 3a apresenta-se, esquematicamente, um

tipo de cavidade óptica que consiste simplesmente em duas extensões de fibra óptica monomodo com faces cor­ tadas perpendicularmente ao eixo e semi-espelhadas, isto é, parcialmente reflectoras. Esta configuração é designada por interferómetro de Fabry-Pérot e a sua fun­ ção de transferência em transmissão é dada por [1,2]:

/; m (2) / oul 4 R -jsin2((j>/2) 1 + (1 - R)2 com a fase óptica <|> dada por

Annd ₍₃₎

l /l.out In em que Ré a reflectividade das interfaces ópticas (para

o caso em questão, estamos a considerar que as super­ fícies semi-espelhadas não têm perdas), d é a separa­ ção entre elas, né o índice de refracção efectivo da

cavi-i Perturbação

%

M M Fonte Óptica 0

+

₀ 2% 4x Dctcctor 4> (radianos) X d

(a) Fibra óptica

Fig. 4 — Função de transferência (normalizada) em transmissão de um interferómetro de Fabry-Pérot.

Fonte Óptica

para lout igual a 3/4 do valor máximo, enquanto se for baixa ocorre para 1/2 do valor máximo (neste último caso, R = 4%, a função de transferência é muito similar à dos interferómetros de duas ondas, como se vê pela fig. 4).

Outro tipo de interferómetro de múltiplas ondas muito comum é o interferómetro em Anel (fig.3b), que se baseia no acoplamento parcial da radiação óptica, através de um acoplador direccional (AD), para uma anel em fibra que fará circular a radiação. Estes interferómetros transmitem o sinal de interferência resultante da sobreposição de múltiplas ondas que são geradas por acoplamento suces­ sivo da radiação para o anel em fibra. Quando a radia­ ção que é novamente acoplada para o anel, após ter per­ corrido uma volta completa, se encontra em fase com a radiação que está a ser acoplada pela primeira vez, está- se na situação de interferência construtiva. A sua função de transferência é similar à do interferómetro de Fabry- Pérot a operar em reflexão (isto é, complementar da Fig. 4). AD

+

•]- Dctcctor Fibra óptica (b) Perturbação Perturbação 2A Fonlc OpUca I. + _{-> rr-'^ “•**•' t***" ■} Detector lf ri, n. iu Núcleo da Fibra óptica (C)

Outro processo de se conseguir um sensor deste tipo é através da utilização de uma rede periódica de Bragg em fibra óptica (fig. 3c) [2,4], Neste caso, cada onda ele­ mentar é originada pela reflexão parcial em diferentes

Fig. 3 — (a) Interferómetro de Fabry-Pérot em fibra, (b) inter­ ferómetro de anel em fibra, (c) rede periódica de Bragg em

fibra óptica.

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reflectores distribuídos em série. Um conjunto igualmente espaçado de pequenos reflectores pode ser fabricado na própria fibra óptica variando periodicamente o índice de refracção do núcleo (n2) ao longo de um comprimento de fibra desejado (na fig. 3c, tais reflectores correspondem às regiões de índice de refracção a sombreado — n-,). Para se obter uma destas redes periódicas, procede-se do seguinte modo: recorre-se a fibra óptica especial fotossensível à radiação ultravioleta (com forte dopagem em germânio no núcleo da fibra), ou colocando uma fibra Standard numa câmara com hidrogénio a alta pressão durante algumas horas; utilizando um sistema interfero- métrico iluminado por uma fonte laser a emitir na região de 240 nm, é gerado um padrão periódico de interferên­ cia, o qual é projectado sobre a extensão desejada de fibra óptica [2,4]. Este padrão de radiação resulta numa modificação periódica do índice de refracção (efeito foto- refractivo).

Em cada interface entre duas regiões de índice de refracção diferente, uma pequena reflexão ocorre, sendo a intensidade total da onda reflectida resultante determi­ nada pela sobreposição de todas as componentes indivi­ duais reflectidas, apresentando um máximo de amplitude quando estas se encontram em fase. Esta situação acon­ tece quando a separação (A) entre cada par adjacente de superfícies reflectoras é igual a metade do compri­ mento de onda da radiação que se propaga na fibra óptica (condição de Bragg).

Um exemplo da resposta em reflexão de uma rede periódica deste tipo é apresentado na figura 5. Esta fun­ ção difere claramente da dos interferómetros de Fabry- Pérot e de Anel, visto que exibe apenas um único máximo no comprimento de onda que obedece à condi­ ção de Bragg (XB). No entanto, e em alguns casos, um segundo máximo de reflexão aparecerá quando o com­ primento de onda da radiação incidente na rede perió­ dica de Bragg for metade do seu valor inicial, isto é, quando \BI2 (2° harmónico). Quando a rede periódica de Bragg sofre uma perturbação exterior (temperatura, pres­

são, deformação axial, etc.), o período da rede (A) e os valores do índice de refracção variam ligeiramente, resul­ tando num desvio do comprimento de onda de Bragg ini­ cial, desvio esse proporcional à amplitude dessa pertur­ bação física. Este tipo de dispositivo tem um enorme potencial no domínio dos sensores de fibra óptica , visto que a informação sobre o mensurando está codificada no comprimento de onda, parâmetro este independente de flutuações de potência óptica da fonte e dos diversos componentes ópticos que constituem o sistema (como sejam acopladores direccionais, juntas entre fibras, etc.) [4].

3. Sensibilidade às Dnteracções Físicas

Na maioria das aplicações, a acção do mensurando sobre a radiação que se propaga na fibra óptica faz-se via actuação no material que constitui a fibra e/ou no seu revestimento. Em quase todos os casos práticos, as alte­ rações ambientais tendem também a produzir alterações nas caracteristicas da radiação guiada, particularmente na sua fase, provocando um efeito adicional ao do men­ surando. Torna-se importante saber, por isso, qual será a sensibilidade do sensor à acção destes efeitos ambien­ tais, em especial no caso em que o sensor é do tipo interferométrico.

A aplicação de uma perturbação sobre um dado comprimento de fibra óptica produz uma variação na fase óptica do modo que se propaga com um dado compri­ mento de onda. As sensibilidades de fase (por unidade de comprimento) da fibra óptica a algumas influências ambientais são dadas na Tabela 1 [2,3]. De salientar que estes valores típicos dizem respeito somente às varia­ ções de fase associadas a variações de cada uma das grandezas físicas mencionadas. Para calcular a sensibi­ lidade efectiva de um sensor interferométrico torna-se necessário determinar a variação mínima de fase que é detectável pelo sistema de medição, a qual depende das fontes de ruído presentes. Considerando valores típicos para os diversos parâmetros relevantes de um sensor interferométrico (como sejam a visibilidade da figura de interferência, a potência óptica no receptor, a largura de

1.0

n

r bi

0.8

0.6

Parâmetro Físico Sensibilidade

0.4 _{107 rad rrr1 por unidade}

de deformação 2*104 rad rrr1 N~1

102 rad rrr1 K~1 5*10"5 rad nm1 Pa-1 Deformação linear axial (e)

Força axial (F) Temperatura (7) Pressão hidrostática (F) 0.2 Aa 0.0 -0.20 -0.15 -0.10 -0 05 0.00 0.05 0.10 0.15 0 20 X-X (nm)

Tabela 1 — Sensibilidade da fase óptica às influências ambientais, para fibras ópticas de núcleo de sílica a operar

no comprimento de onda de 850 nm (valores típicos). Reflectividade típica de uma rede periódica de Bragg

em fibra óptica. Fig. 5

banda do bloco de processamento), variações de fase da ordem de 1 prad podem ser detectadas. Assim, como exemplo, um metro de fibra óptica no percurso de sinal de um sensor interferométrico tem uma resolução poten­ cial em temperatura de 10-8 K.

No caso das redes de Bragg, o parâmetro que vai variar com a acção do mensurando é o comprimento de onda de Bragg da rede. Para uma fibra com núcleo de sílica, a Tabela 2 indica os valores típicos das sensibili­ dades (normalizadas pelo comprimento de onda de Bragg) para várias grandezas físicas [2,4]. Como exem­ plo, para se conseguir medir temperatura com uma reso­ lução de =0.1 K utilizando um sensor de Bragg operando no comprimento de onda de Bragg a =1.3 pm, é neces­ sário detectar desvios neste comprimento de onda com uma resolução de =0.001 nm. Apesar desta resolução no comprimento de onda ser facilmente conseguida através de instrumentação laboratorial adequada (por exemplo, analisadores de espectros ópticos ou lasers sintonizá­ veis), a capacidade de resolver desvios desta ordem de grandeza, utilizando novos sistemas electro-ópticos com­ pactos e de baixo custo, tem concentrado as atenções de diversos grupos de investigação desta área nos últi­ mos anos.

lutas, degradar o desempenho e aumentar o nível de ruído do sistema.

Nas áreas de aplicação em ambientes adversos que requerem instrumentos especializados e de elevada sen­ sibilidade, os sensores de fibra óptica oferecem possibi­ lidades de monitorização que não seria possível atingir, doutra forma, utilizando os sensores convencionais.

Referências

[1] Udd, E. — Fiber Optic Sensors, John Wiley & Sons, New York, 1991.

[2] Grattan, K. T. V., and Meggitt, B. T. — ÓpticaI Fiber

Sensor Technology, Chapman & Hall, London, 1985.

[3] Jackson, D. A. — “Monomode optical fibre interferometers for precision measurement”, J. Phys. E: Sei. Instrum. 18, 981 (1985).

[4] Jackson, D. A. — “Recent progress in monomode fibre-optic sensors”, Meas. Sei. Technol. 5, 621 (1994).

A. B. Lobo Ribeiro é Investigador Sénior no Grupo de Optoelectrónica do INESC-Porto, e Prof. Auxiliar no Dept. Ciências e Tecnologia da Universidade Fernando Pessoa, Porto.

Engineering Teaching in

Physics Education

25-26 June 1998

Sheffield Hallam University, UK

Parâmetro Físico Sensibilidade

(0.74 a 0.78)*10-e pstrain~i <a> (7.5 a 8.9)*10-® K~1

2*10-7 j-1 2.71*10-6 Mpa-1 Deformação linear axial (e)

Temperatura (7) Campo Magnético (S) Pressão hidrostática (P)

<a) 1 ijstrain (micro-strain) corresponde à unidade de deformação de

1 parte em 106. A high proportion of physics graduates vvork in industry, effectively as engineers. The purpose of this international workshop is to bring together the representatives of industry and higher education to explore the need for, and the educa­ tion of, physics graduates whose skills embrace engineering. The programme will consider undergraduate degrees and postgraduate taught and research degrees and will address subject content and skill requirements. Through invited and proffered papers, póster presentations, discussions and plenary sessions the format will enable the comparison of industry’s needs with good educational practice and aims to identify proposed ways forward. Invited speakers from Germany, Slovakia, Poland and the UK will introduce the various sessions.

This international meeting will be held in June 1998 under the auspices of the Societe European pour la Formation des Ingenieurs (SEFI), the European Physical Society (EPS) and the Institute of Physics.

Tabela 2 — Sensibilidades primárias típicas (normalizadas ao comprimento de onda de Bragg) das redes periódicas de Bragg.

4. Conclusão

Os sensores interferométricos, além de evidenciarem as vantagens inerentes a todos os sensores de fibra óptica, acrescentam-lhe outras, tais como versatilidade na geometria do elemento sensor, grande alcance dinâmico, extrema sensibilidade, capacidade de monitorização remota e multiplexagem eficiente. Por outro lado, a sen­ sibilidade da fibra óptica a diferentes parâmetros físicos levanta o problema da selectividade do sensor, que por sua vez obriga ao uso de técnicas de referência por forma a calibrar e distinguir o parâmetro de interesse. Além disto, o sinal óptico de saída de um sensor inter­ ferométrico requer um processamento de sinal específico devido à sua função de transferência periódica, o que pode limitar o alcance dinâmico, dificultar medições

abso-Registration fee: £ 185 (includes lunch) Accommodation: £ 21 to £ 60 per night

Information: Institute of Physics, Conf. Department 76 Portland Place, London WIN 3DH Tel: +441714704800; Fax: +441714704900 E-mail: conferences@iop.org

Web: http://www.iop.org/Confs

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